Про Вселенную и цефеиды

Дельта Цефея. Цефеиды.

При этом слове любой, кто хоть что-то читал о Вселенной, почтительно склоняет голову.

Долгое время это был, пожалуй, единственный более или менее надежный метод, благодаря которому астрономы могли судить о размерах ближней к нам Вселенной. Отлично работает для расстояний порядка нашей Галактики и ее галактического окружения.

Весь англоязычный интернет к месту и не к месту переполнен определениями цефеид как "стандартных свечей".

Ну-с, давайте глянем, насколько они стандартны.

Дельту Цефея найти очень просто!

Дельта Цефея - прародительница рода, первая из равных, хотя вовсе и не первая переменная, о которой знали люди: Мира Кита, Алгол, χ Лебедя, R Гидры известны со средних веков, а то и раньше. А непосредственно перед Дельтой, чья переменность была открыта Джоном Гудрике в 1784 году, Эдвард Пиготт обнаружил, что Эта Водолея тоже меняет свою яркость.

Найти Дельту на небе не просто, а очень просто - это левая нижняя звезда "конвертика" созвездия Цефея. Со своим склонением в 58 градусов, в северных широтах она видна практически круглый год.

"Delta Cephei lightcurve" by ThomasK Vbg - Own work. Licensed under CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons 

Согласно новейшим исследованиям Космического телескопа Хаббл, Дельта находится на расстоянии в 273 парсека (890 св.лет) с 4% погрешностью, это почти самая близкая к нам звезда своего типа, только Полярная ближе. Переменность цефеид, как говорит классическая астрономия, вызвана их пульсациями, которые настолько регулярны, что хоть время по ним отмечай. Если снять кривую ее блеска, то можно увидеть, как видимая нам тут на Земле яркость звезды меняется в диапазоне от 3.48 до 4.37m с периодом 5.36 дней. Распухание звезды меняет ее спектральный класс с F5 (желтый) на G3 (оранжевый). Пик блеска она проходит довольно резво, а вот минимум - более пологий и мягкий.

Считается, что Дельта принадлежит к бывшим звездам спектрального класса О (голубые), которые в конце своего жизненного пути уже сходят с Главной Последовательности, распухнув до неузнаваемости (в нашем случае - до 44.5 диаметров Солнца), продолжая ковать в своем горячем ядре более тяжелые элементы - теперь уже из гелия. Масса Дельты оценивается в 4.5±0.3 масс Солнца, а светимость в 2000 солнечных. Поглощение света космической пылью на пути к нам приводит к тому, что ее видимая яркость ослабляется на 0.23m.

Цефеиды: когда давление газа, направленное наружу, не компенсируется гравитацией, направленной внутрь, звезда начинает менять свой размер и температуру - т.е. пульсирует.

У переменных типа RR Лиры периоды пульсации меньше, менее 24 часов и выглядят совершенно по-другому.

(с сайта Astronomy Notes)

Цефеиды делят на три группы - Цефеиды I - это первое звездное население, молодые звезды с высокой металличностью, по классике их массы от 4 до 20 масс Солнца, а абсолютная светимость до 4 раз выше, чем у второй группы. Цефеиды II - второе звездное население, с периодами пульсаций 1-4 дня, 10-20 дней и более 20 дней. Существуют также аномальные цефеиды, слегка похожие на RR Лиры, с периодами менее 2 дней, но со значительно большими, чем у них светимостями.

В 1908 году Генриетта Свон Ливитт, после изучения тысяч переменных в Магеллановых облаках, пришла к выводу о том, что между периодом и абсолютной светимостью цефеид есть закономерность. Ее исследования продолжил в 1913 Эйнар Герцшпрунг, а в 1915- Харлоу Шепли, который первым попробовал откалибровать цефеиды и определить по ним на основе закона Ливитт размеры Млечного пути и место в нем Солнечной системы.

Закон период-светимость

В 1924 году Эдвин Хаббл при помощи этого метода Шепли установил, что переменные в Туманности Андромеды находятся далеко вне пределов Млечного Пути, фактически открыв нашу Вселенную. Сначала он посчитал, что имеет дело с цефеидами второго типа, и это дало ему 900 тыс св лет, но потом оказалось, что это были цефеиды первого типа, что увеличило расстояние до 2.5 млн св. лет.

Определение расстояний по цефеидам вовсе не было путем, осыпанным лепестками роз. Трудностей у этого метода масса, главные из них связаны с неравномерностью взаимоотношения период-светимость в разных полосах частот электромагнитного спектра (это только на бумаге все гладко!), влияние металличности звезд, фотометрическое смешивание, а также непредсказуемое поглощение света межзвездной пылью. Все это, неучтенное, преувеличенное или преуменьшенное, может оказать серьезнейшее влияние на нашу шкалу расстояний. Представьте, если бы мы ошиблись с абсолютной светимостью Дельты Цефея, скажем, на треть. К счастью, переменных звезд в Галактике очень много, и это позволяет нам проводить калибровку одних звезд другими, все время проверяя себя и уточняя свои расчеты.

История с Дельтой Цефея получила неожиданное продолжение в астрофизике уже в наше время.

"Стандартная свеча" на ветру

Во-первых, космический телескоп Спитцер установил, что Дельта производит сильнейший ветер, который в сочетании с пульсациями и ударными волнами в атмосфере звезды, выбрасывает наружу материи в эквиваленте в одну солнечную массу в миллион лет. Вся эта материя движется со скоростями до 35 км/с! В результате вокруг Дельты образуется конверт материала поперечником в 1 пк, с центром внутри звезды, содержащим от 0.07 до 0.21 солнечных масс нейтрального водорода! При встрече этого материала с межзвездной средой образуется настоящая ударная волна! А в дополнение ко всему, звезда еще и сама движется! Собственная скорость Дельты - около 13.5 км/с.

Можно себе представить, что там происходит!!

Конечно, этот конверт сам по себе поглощает видимый свет Дельты, и она в инфракрасном свете выглядит ярче, чем в визуальном. Конечно, это несет необходимость внесения поправок в ее абсолютную светимость, и, соответственно, измеряемые при помощи нее расстояния. Дело перестает выглядеть слишком уж тревожно, если учесть, что калибровку расстояний астрономы проводят по сотням и тысячам звезд, и в такой большой статистике роль отдельных ошибок становится значительно меньше, чем если бы мы использовали всего 2-3 звезды...

Дельта является участником звездной ассоциации Цефей ОВ6, и, из возраста других звезд этой ассоциации можно сказать, что ее возраст около 79 млн лет .

Но и это еще не все.

Зависимость радиальных скоростей компонентов от фазы пульсации.
"Radial Velocity Measurements of Delta Cephei" by R.I. Anderson - R. I. Anderson, et al. (2015 ApJ), The Astrophysical Journal, vol. 804, pp.144-155, doi:10.1088/0004-637X/804/2/144. Licensed under CC BY 4.0 via Wikimedia Commons

Оказалось , что Дельта - это четверная система - две пары по две звезды. Визуально Дельта давно уже была разрешена на Дельту А и Дельту С. Но вот обе они, в свою очередь, являются спектроскопическими двойными звездами. Масса компонента Дельта В - от 0.2 до 1.2 солнечных масс, он обращается по сильно вытянутой орбите с периодом 6 лет вокруг компонента Дельта А массой около 4.5 масс Солнца.

Весь этот хоровод прекрасно сочетается в один танец и следует единому ритму пульсаций основной звезды - Дельты А.

Дельта Цефея - непростой орешек, который виден на вашем небе практически каждую ночь. Не упустите случая взглянуть на нее в бинокль или телескоп. Отдайте дань уважения этой настоящей звездной знаменитости среди звезд - первого и второго населения нашей Галактики.

***

Бессонные летние ночи

Накрыты молочным стеклом.

Ища к звездам путь покороче,

Не спит до утра астроном,

От темных полей Водолея

До Лебедя газовых стен

Пульсации Дельты Цефея

Сверяя пульсацией вен

----

Литература:
1. https://en.wikipedia.org/wiki/Cepheid_variable
2. https://en.wikipedia.org/wiki/Delta_Cephei
3. http://www.astronomynotes.com/ismnotes/s5.htm
4. https://en.wikipedia.org/wiki/Cepheid_variable
5. http://www.spitzer.caltech.edu/images/3470-ssc2011-01a-Standard-Candle-in-the-Wind
6. http://arxiv.org/pdf/1503.04116v1.pdf
7. http://www.astronomynotes.com/ismnotes/s5.htm